一种基于5G技术的智慧交通教学沙盘无人驾驶小车

乔海晔 齐新燕 黄润

摘 要：为了普及新一代信息技术，培养具备新一代信息技术素养人才，本文设计了一种智能交通教育沙盘系统，系统包括无人驾驶智能小车、路灯控制、ETC控制、无线充电桩、智能公交站和智慧停车场等模组。无人驾驶智能小车作为沙盘系统的重要组成部分，由超声波传感器、电池、显示屏、天线等组成，可实现自动循迹、自动避障、车联网、语言播报、交通灯识别等功能。经对比设计研究，超声波传感器感应车辆四周障碍物，距离5～12cm可调，5G模块实现车与车之间的通信，时延≤500ms。满足了中小学信息技术，中、高职相关专业入门教育教学，同时该系统具有实际场景应用价值。

关键词：5G技术；無人驾驶技术；无线通信协议；自动循迹；自动避障

中图分类号：TP399  文献标识码：A

一、项目背景

2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》中明确提出，实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广［12］。目前我国各中小学、高校都前后设立了人工智能相关的课程。在人工智能相关专业的实验授课过程中，小车作为教具的一种有着丰富的功能，能提高学生的学习兴趣，激发学生的创造力。现有技术中，教学领域的小车的功能比较单一，大多是通过无线遥控的方式来控制，缺乏无人驾驶功能与AI相关的技术应用［34］。

随着时代发展、科技进步，人工智能、物联网、5G通信等新一代信息技术在不断改变着人类的生活，其中城市交通是上述技术的一个重要应用领域。对于智能交通的学习和研究受制于空间和时间的限制，在各类型院校和研究机构中，智能交通沙盘是一个理想的产品形态［5］。

二、国内外研究现状

1999年，英国将人工智能课程纳入中学的信息与通信技术课程，并通过开展相关教育竞赛活动来扩展和延伸人工智能教育，鼓励中小学生学习程序设计和人工智能相关知识和技术。在实施过程中，使用智慧工厂场景来强化学生们对技术的理解。美国着重在K12（6～18岁青少年）阶段的学生中开展物联网、人工智能教育，在中学信息技术课程中设有“机器人原理”“物联网基础”“人工智能概论”等课程，详细介绍了信息技术在家居、农业和交通中的应用［67］。

信息技术教育在我国起步较晚。在中高职和中小学阶段进行信息技术教育的教具还处于萌芽阶段。现阶段的教具多以机器人为主，学习内容仅限于编程。现有技术中，用于智能交通学习的智能交通沙盘中小车的定位一部分用UWB室内定位及摄像头机器视觉来实现，定位方法对设备要求高且上位机软件算法复杂，在智能交通沙盘教学中难以实现。另一部分采用WiFi、蓝牙、ZigBee等通信方式与上位机或其他设备通信，对小车与其他设备的通信距离有限制且通信延时高，上位机无法实时准确地获取小车的行驶轨迹［89］。

本项目设计的无人驾驶沙盘小车将5G、人工智能、VR/AR、物联网等多个核心技术相融合，采用场景化教学模式将大家熟悉的智慧交通生活场景与信息技术点相融合，形成智能交通沙盘，学生可以真切地感受和学习到新一代信息技术为我们的生产、生活带来的巨大改变。

三、系统组成

无人驾驶沙盘小车是整个智能交通系统中的重要组成部分，小车按照指定的规则运行完成各种智能交通系统的应用和功能［10］。小车采用多层PCB板设计模式。上层PCB板主要包括主MCU、WiFi模块、显示屏、语音合成模块等；下层PCB板主要包括副MCU、超声波模块、红外模块、电机控制模块、RFID读卡器接口。无人驾驶沙盘小车功能模块图如图1所示。无人驾驶沙盘小车具有以下两方面主要功能：

（一）自动驾驶

无人驾驶沙盘小车可以通过颜色识别传感器，判断轨道上的黑色轨迹实现自动循迹，按照道路规划线，自动运行，自动避障，自动报警等，也可以根据预先规划的路径、寻线运行的能力，即能够运行在智能交通沙盘平台系统上［1112］。

（二）遥控车

无人驾驶沙盘小车可以选择遥控功能成为网络遥控车，其控制方式可以采用直接控制智能小车，也可以采用通过实验室的服务器控制小车。通过网络设备，采用本地/远程网络都可以使遥控小车在智能交通沙盘上运行。

四、系统详细设计

（一）系统模块硬件设计

1.智能车设备管理板设计

智能车设备管理板主控芯片由32位ARM体系芯片、最高72MHz工作频率、256KB的闪存程序存储器、48K字节的SRAM构成。板载主要功能包括：RFID模块管理、超声波传感器模块、电源管理和电机控制接口。电路板主要包括彩色车尾灯、电源开关、蜂鸣器、高频RFID读卡器接口、电源激活按键、循迹模块接口、TypeC充电口、调试下载口、电源指示灯、状态指示灯；通信接口；调试按键2个。电路原理图如图2所示。

2.智能车控制板设计

智能车控制板主控芯片也由32位ARM体系芯片、最高72MHz工作频率、256KB的闪存程序存储器、48K字节的SRAM构成。板载主要功能包括：1个调试下载口；4个PWM设备接口；3个状态指示灯；1组TypeC调试接口；板载离线存储；2.8寸显示屏接口；扩展板接口；18盏全彩串行LED灯；板载USB插口；板载扬声器，具备语音播报功能。电路原理图如图3所示。

（二）工作流程

系统软件通过对RFID、自动控制、WiFi等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，控制小车跟踪黑白轨道自动运行，采用传感器来采集小车运行的各种状态（比如速度、电压转向等），并通过显示屏显示出来。小车利用无线WiFi向后台服务器传输小车状态信息、位置信息、来达到和其他系统的联动，功能软件模块包括电机控制程序、速度测量程序、遥控程序、自动行驶程序、自动避障程序、网络控制程序等，支持小车和上位机联动，通过GIS地图实时显示小车的运行轨迹。

将5G通信技术融入已有的智能交通管理系统中，利用5G通信低时延的特点，实现智能小车之间的联网通信，达到小车间彼此位置、速度、方向等信息的交互；在智能小车上搭载超声波、RFID、循迹模块、电机模块实现车辆遇到红绿灯时的自动停启，到达公交站时的停车、报站，达到精准控制小车行车轨迹的目标。

软件通过对RFID、自动控制、WiFi等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，控制小车到达交通十字路口后，根据路口其他小车的状态控制小车走/停，模拟小车通过交通路口自动运行的情况，监控小车实时运行状态。

结语

本文开发了一款适用于智慧交通沙盘系统的基于5G技术的无人驾驶小车，目的是为全国中小学普及信息技术课程，也为中高职相关专业学生的人工智能入门课程教育提供教学工具。通过小车的自动循迹、避障，交通灯识别、语音播放等功能，可以让使用者学习到5G技术、RFID技术、红外识别、超声波传感、车联网、遥控等技术，达到普及信息技术教育，培养智慧城市产业人才的目标。

参考文献：

［1］艾伦.我国智能教育装备标准化面临的困境［J］.中国现代教育装备，2021（02）：1216.

［2］王贤灿.中小学开展人工智能教育的困境与建议［J］.中小学信息技术教育，2021（Z2）：106109.

［3］孙宽宁.我国电化教育研究的回顾与反思［J］.电化教育研究，2007（09）：7783.

［4］李佳，李艳.高校助力贫困中小学科学及人工智能启蒙课程实施模式探究［C］.《新课改教育理论探究》第三辑.

［5］宋彤.小学人工智能课程实施现状与策略研究［D］.长春师范大学，2021.

［6］宋亮.人工智能：现代教育的新机遇［J］.教育，2019（14）：1920.

［7］肖高丽，梁文明.中小学实施人工智能课程的意义、挑战与对策［J］.教学与管理，2018（22）：7072.

［8］周洁，蔡燃，宋伟，等.中小学人工智能教育的开展困境与实施路径探究［J］.计算机教育，2022（07）：711.

［9］马德宜，姚芊.数学教学中算法思想的渗透［J］.教学与管理，2018（04）：5960.

［10］王卫峰，赵海伦，徐辉，等.OMV小车及5G技术在高純石英棒智能制造车间的融合应用［J］.智能制造，2022（02）：9497.

［11］物联网智能交通方案.docx《网络（https：//www.niuwk.co）》.

［12］程丽媛，戴娟.一种实时回归偏离航线自动寻迹方案［J］.电子设计工程，2021，29（05）：8589.

基金项目：2021年广东省教育厅广东省普通高校特色创新项目“基于5G技术的AIoT智慧交通教学系统关键技术研究”（2021KTSCX289）

作者简介：乔海晔（1974— ），女，内蒙古丰镇人，计算机技术硕士，佛山职业技术学院电子信息学院教授，研究方向：嵌入式系统开发、物联网应用系统集成等。